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Alternative Energiespeicher Neue Stickstoffverbindung: Energiereicher als TNT

Autor / Redakteur: Christian Wißler* / Christian Lüttmann

Molekularer Stickstoff (N2) ist chemisch betrachtet nicht besonders interessant: Die Dreifachbindung der beiden Stickstoffatome ist sehr stark und das Molekül daher entsprechend reaktionsträge. Forscher aus Bayreuth haben den Stickstoff nun aber in bisher unbekannte Verbindungen gezwungen, in denen die Stickstoffmoleküle lange Polymerketten bilden. Diese neuen Materialien könnten vielversprechend für die Energieforschung sein.

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Abb. 2. Kristallstruktur von ReN₈·xN₂. Rheniumatome sind grau, Stickstoffatome der Rahmenstruktur blau, die Stickstoffmoleküle in den Kanälen rot.
Abb. 2. Kristallstruktur von ReN₈·xN₂. Rheniumatome sind grau, Stickstoffatome der Rahmenstruktur blau, die Stickstoffmoleküle in den Kanälen rot.
(Bild: Maxim Bykov)

Bayreuth – Welche Eigenschaften ein Material hat, wird durch seinen atomaren Aufbau bestimmt, also welche Atome es enthält und wie diese miteinander verknüpft sind. Eine für die Forschung hochinteressante Klasse anorganischer Materialien bilden die so genannten Nitride, die ihren Namen aufgrund des enthaltenen Stickstoffs (engl.: nitrogen) tragen. Sie besitzen oft herausragende physikalische und chemische Eigenschaften. So zeichnen sich Übergangsmetallnitride in vielen Fällen durch eine außerordentliche Härte, hohe Schmelzpunkte und eine ungewöhnliche Stabilität aus.

Derartige Stickstoffverbindungen zu synthetisieren, ist allerdings sehr schwierig. Unter normalen Umgebungsbedingungen kommt Stickstoff hauptsächlich als zweiatomiges Gas N2 vor, das nur mit wenigen anderen Elementen chemische Verbindungen eingeht. Die größte Hürde bei der Herstellung stickstoffreicher Verbindungen besteht darin, dass die zwei Stickstoffatome von N2 durch eine Dreifachbindung verknüpft sind, die unter außergewöhnlich hohen Temperaturen aufgebrochen werden muss. Wie hoch, hängt im Einzelfall von der jeweiligen stickstoffhaltigen Verbindung ab, die synthetisiert werden soll.

Chemie unter einer Millionen Atmosphären Druck

Wissenschaftler der Universität Bayreuth haben diese Hürde einer Pressemeldung zufolge jetzt erstmals überwinden können. Mit Technologien der Hochdruckforschung haben sie eine Versuchsumgebung geschaffen, in der sich die Synthese stickstoffreicher Verbindungen gezielt steuern lässt.

In einer mit Stickstoff gefüllten Diamantstempelzelle wurde pulverförmiges Eisen und in einer weiteren Versuchsreihe pulverförmiges Rhenium einem Druck von mehr als einer Million Atmosphären (mehr als 100 Gigapascal) ausgesetzt. Zugleich wurden diese Materialproben durch einen Laserheizer auf rund 1500 Grad Celsius erhitzt. Anhand von Röntgenbeugungsmustern haben die Wissenschaftler beobachtet, wie unter diesen Bedingungen ungewöhnliche Verbindungen entstehen. Aus Eisenpulver und Stickstoff bildet sich in der Diamantstempelzelle das Eisennitrid FeN4. Es zeichnet sich durch Ketten von Stickstoffatomen aus, in denen sich Doppel- und Einfachbindungen zwischen Stickstoffatomen abwechseln (Abb. 1).

Aus Rhenium und Stickstoff entwickelt sich hingegen eine sehr ungewöhnliche Verbindung mit der Summenformel ReN8·xN2. Dieses Polynitrid besitzt nicht nur Polymerketten, die allein aus Stickstoff aufgebaut sind. Er enthält darüber hinaus Kanäle, in denen sich N2-Moleküle einnisten, ohne dass es dabei zu starken Wechselwirkungen zwischen diesen „Gast-Molekülen“ und der aus ReN8 bestehenden Rahmenstruktur kommt (Abb. 2). Die beiden Verbindungen FeN4 und ReN8·xN2 repräsentieren den Forschern zufolge eine neue Klasse von Stickstoffverbindungen: Metall-Stickstoff-Gerüste.

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Besonders hohe Energiedichte

Diese Stickstoffverbindungen sind im Hinblick auf die künftige Energieforschung und Energietechnologie vor allem deshalb von großem Interesse, weil sie eine ungewöhnlich hohe Energiedichte besitzen. So ist die Energiedichte von ReN8·xN2 um ein Vielfaches höher als die Energiedichte des Sprengstoffs TNT (Trinitrotoluol).

„Die Forschungsergebnisse, die wir jetzt in enger internationaler Kooperation erzielt haben, könnten sehr bald schon zum Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Materialien werden, die einen entscheidenden Beitrag zur Energieversorgung der Zukunft leisten. Denn der Anteil erneuerbarer Energien wird sich nur signifikant steigern lassen, wenn es gelingt, hinreichend hohe und zugleich flexible Speicherkapazitäten zu schaffen“, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth, der an den neuen Studien maßgeblich beteiligt war.

Originalpublikationen:

M. Bykov et al.: Fe-N system at high pressure reveals a compound featuring polymeric nitrogen chains. Nature Communications (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-05143-28

M. Bykov et al.: High-pressure synthesis of a nitrogen-rich inclusion compound ReN₈·xN₂ with conjugated polymeric nitrogen chains. Angewandte Chemie International Edition (2018); DOI: 10.1002/anie.201805152

* C. Wißler, Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth

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